C#綜合揭祕——細說多執行緒
轉載自：http://www.cnblogs.com/leslies2/archive/2012/02/07/2320914.html
本文主要從執行緒的基礎用法，CLR執行緒池當中工作者執行緒與I/O執行緒的開發，並行操作PLINQ等多個方面介紹多執行緒的開發。
其中委託的BeginInvoke方法以及回撥函式最為常用。
而 I/O執行緒可能容易遭到大家的忽略，其實在開發多執行緒系統，更應該多留意I/O執行緒的操作。特別是在ASP.NET開發當中，可能更多人只會留意在客戶端使用Ajax或者在伺服器端使用UpdatePanel。其實合理使用I/O執行緒在通訊專案或檔案下載時，能儘可能地減少IIS的壓力。
並行程式設計是Framework4.0中極力推廣的非同步操作方式，更值得更深入地學習。
希望本篇文章能對各位的學習研究有所幫助，當中有所錯漏的地方敬請點評。
目錄
1. 1 程序、應用程式域與執行緒的關係
程序（Process）是Windows系統中的一個基本概念，它包含著一個執行程式所需要的資源。程序之間是相對獨立的，一個程序無法訪問另一個程序的資料（除非利用分散式計算方式），一個程序執行的失敗也不會影響其他程序的執行，Windows系統就是利用程序把工作劃分為多個獨立的區域的。程序可以理解為一個程式的基本邊界。
應用程式域（AppDomain）是一個程式執行的邏輯區域，它可以視為一個輕量級的程序，.NET的程式集正是在應用程式域中執行的，一個程序可以包含有多個應用程式域，一個應用程式域也可以包含多個程式集。在一個應用程式域中包含了一個或多個上下文context，使用上下文CLR就能夠把某些特殊物件的狀態放置在不同容器當中。
執行緒（Thread）是程序中的基本執行單元，在程序入口執行的第一個執行緒被視為這個程序的主執行緒。在.NET應用程式中，都是以Main()方法作為入口的，當呼叫此方法時系統就會自動建立一個主執行緒。執行緒主要是由CPU暫存器、呼叫棧和執行緒本地儲存器（Thread Local Storage，TLS）組成的。CPU暫存器主要記錄當前所執行執行緒的狀態，呼叫棧主要用於維護執行緒所呼叫到的記憶體與資料，TLS主要用於存放執行緒的狀態資訊。
程序、應用程式域、執行緒的關係如下圖，一個程序內可以包括多個應用程式域，也有包括多個執行緒，執行緒也可以穿梭於多個應用程式域當中。但在同一個時刻，執行緒只會處於一個應用程式域內。
由於本文是以介紹多執行緒技術為主題，對程序、應用程式域的介紹就到此為止。關於程序、執行緒、應用程式域的技術，在“C#綜合揭祕——細說程序執行緒與應用程式域”會有詳細介紹。
1. 2 多執行緒
在單CPU系統的一個單位時間（time slice）內，CPU只能執行單個執行緒，執行順序取決於執行緒的優先級別。如果在單位時間內執行緒未能完成執行，系統就會把執行緒的狀態資訊儲存到執行緒的本地儲存器（TLS） 中，以便下次執行時恢復執行。而多執行緒只是系統帶來的一個假像，它在多個單位時間內進行多個執行緒的切換。因為切換頻密而且單位時間非常短暫，所以多執行緒可被視作同時執行。
適當使用多執行緒能提高系統的效能，比如：在系統請求大容量的資料時使用多執行緒，把資料輸出工作交給非同步執行緒，使主執行緒保持其穩定性去處理其他問題。但需要注意一點，因為CPU需要花費不少的時間線上程的切換上，所以過多地使用多執行緒反而會導致效能的下降。
2. 1 System.Threading.Thread類
System.Threading.Thread是用於控制執行緒的基礎類，通過Thread可以控制當前應用程式域中執行緒的建立、掛起、停止、銷燬。
它包括以下常用公共屬性：
| 屬性名稱 | 說明 |
| CurrentContext | 獲取執行緒正在其中執行的當前上下文。 |
| CurrentThread | 獲取當前正在執行的執行緒。 |
| ExecutionContext | 獲取一個 ExecutionContext 物件，該物件包含有關當前執行緒的各種上下文的資訊。 |
| IsAlive | 獲取一個值，該值指示當前執行緒的執行狀態。 |
| IsBackground | 獲取或設定一個值，該值指示某個執行緒是否為後臺執行緒。 |
| IsThreadPoolThread | 獲取一個值，該值指示執行緒是否屬於託管執行緒池。 |
| ManagedThreadId | 獲取當前託管執行緒的唯一識別符號。 |
| Name | 獲取或設定執行緒的名稱。 |
| Priority | 獲取或設定一個值，該值指示執行緒的排程優先順序。 |
| ThreadState | 獲取一個值，該值包含當前執行緒的狀態。 |
2. 1.1 執行緒的識別符號
ManagedThreadId是確認執行緒的唯一識別符號，程式在大部分情況下都是通過Thread.ManagedThreadId來辨別執行緒的。而Name是一個可變值，在預設時候，Name為一個空值 Null，開發人員可以通過程式設定執行緒的名稱，但這只是一個輔助功能。
2. 1.2 執行緒的優先級別
.NET為執行緒設定了Priority屬性來定義執行緒執行的優先級別，裡面包含5個選項，其中Normal是預設值。除非系統有特殊要求，否則不應該隨便設定執行緒的優先級別。
| 成員名稱 | 說明 |
| Lowest | 可以將 Thread 安排在具有任何其他優先順序的執行緒之後。 |
| BelowNormal | 可以將 Thread 安排在具有 Normal 優先順序的執行緒之後，在具有 Lowest 優先順序的執行緒之前。 |
| Normal | 預設選擇。可以將 Thread 安排在具有 AboveNormal 優先順序的執行緒之後，在具有 BelowNormal 優先順序的執行緒之前。 |
| AboveNormal | 可以將 Thread 安排在具有 Highest 優先順序的執行緒之後，在具有 Normal 優先順序的執行緒之前。 |
| Highest | 可以將 Thread 安排在具有任何其他優先順序的執行緒之前。 |
2. 1.3 執行緒的狀態
通過ThreadState可以檢測執行緒是處於Unstarted、Sleeping、Running 等等狀態，它比 IsAlive 屬效能提供更多的特定資訊。
前面說過，一個應用程式域中可能包括多個上下文，而通過CurrentContext可以獲取執行緒當前的上下文。
CurrentThread是最常用的一個屬性，它是用於獲取當前執行的執行緒。
2. 1.4 System.Threading.Thread的方法
Thread 中包括了多個方法來控制執行緒的建立、掛起、停止、銷燬，以後來的例子中會經常使用。
| 方法名稱 | 說明 |
| Abort() | 終止本執行緒。 |
| GetDomain() | 返回當前執行緒正在其中執行的當前域。 |
| GetDomainId() | 返回當前執行緒正在其中執行的當前域Id。 |
| Interrrupt() | 中斷處於 WaitSleepJoin 執行緒狀態的執行緒。 |
| Join() | 已過載。 阻塞呼叫執行緒，直到某個執行緒終止時為止。 |
| Resume() | 繼續執行已掛起的執行緒。 |
| Start() | 執行本執行緒。 |
| Suspend() | 掛起當前執行緒，如果當前執行緒已屬於掛起狀態則此不起作用 |
| Sleep() | 把正在執行的執行緒掛起一段時間。 |
2. 1.5 開發例項
以下這個例子，就是通過Thread顯示當前執行緒資訊
static void Main(string[] args)
{
Thread thread = Thread.CurrentThread;
thread.Name = "Main Thread";
string threadMessage = string.Format("Thread ID:{0}\n Current AppDomainId:{1}\n "+
"Current ContextId:{2}\n Thread Name:{3}\n "+
"Thread State:{4}\n Thread Priority:{5}\n",
thread.ManagedThreadId, Thread.GetDomainID(), Thread.CurrentContext.ContextID,
thread.Name, thread.ThreadState, thread.Priority);
Console.WriteLine(threadMessage);
Console.ReadKey();
}
執行結果
2. 2 System.Threading 名稱空間
在System.Threading名稱空間內提供多個方法來構建多執行緒應用程式，其中ThreadPool與Thread是多執行緒開發中最常用到的，在.NET中專門設定了一個CLR執行緒池專門用於管理執行緒的執行，這個CLR執行緒池正是通過ThreadPool類來管理。而Thread是管理執行緒的最直接方式，下面幾節將詳細介紹有關內容。
| 類 | 說明 |
| AutoResetEvent | 通知正在等待的執行緒已發生事件。無法繼承此類。 |
| ExecutionContext | 管理當前執行緒的執行上下文。無法繼承此類。 |
| Interlocked | 為多個執行緒共享的變數提供原子操作。 |
| Monitor | 提供同步對物件的訪問的機制。 |
| Mutex | 一個同步基元，也可用於程序間同步。 |
| Thread | 建立並控制執行緒，設定其優先順序並獲取其狀態。 |
| ThreadAbortException | 在對 Abort 方法進行呼叫時引發的異常。無法繼承此類。 |
| ThreadPool | 提供一個執行緒池，該執行緒池可用於傳送工作項、處理非同步 I/O、代表其他執行緒等待以及處理計時器。 |
| Timeout | 包含用於指定無限長的時間的常數。無法繼承此類。 |
| Timer | 提供以指定的時間間隔執行方法的機制。無法繼承此類。 |
| WaitHandle | 封裝等待對共享資源的獨佔訪問的作業系統特定的物件。 |
在System.Threading中的包含了下表中的多個常用委託，其中ThreadStart、ParameterizedThreadStart是最常用到的委託。
由ThreadStart生成的執行緒是最直接的方式，但由ThreadStart所生成並不受執行緒池管理。
而ParameterizedThreadStart是為非同步觸發帶引數的方法而設的，在下一節將為大家逐一細說。
| 委託說明 | |
| ContextCallback | 表示要在新上下文中呼叫的方法。 |
| ParameterizedThreadStart | 表示在 Thread 上執行的方法。 |
| ThreadExceptionEventHandler | 表示將要處理 Application 的 ThreadException 事件的方法。 |
| ThreadStart | 表示在 Thread 上執行的方法。 |
| TimerCallback | 表示處理來自 Timer 的呼叫的方法。 |
| WaitCallback | 表示執行緒池執行緒要執行的回撥方法。 |
| WaitOrTimerCallback | 表示當 WaitHandle 超時或終止時要呼叫的方法。 |
2. 3 執行緒的管理方式
通過ThreadStart來建立一個新執行緒是最直接的方法，但這樣創建出來的執行緒比較難管理，如果建立過多的執行緒反而會讓系統的效能下載。有見及此，.NET為執行緒管理專門設定了一個CLR執行緒池，使用CLR執行緒池系統可以更合理地管理執行緒的使用。所有請求的服務都能運行於執行緒池中，當執行結束時執行緒便會迴歸到執行緒池。通過設定，能控制執行緒池的最大執行緒數量，在請求超出執行緒最大值時，執行緒池能按照操作的優先級別來執行，讓部分操作處於等待狀態，待有執行緒迴歸時再執行操作。
基礎知識就為大家介紹到這裡，下面將詳細介紹多執行緒的開發。
3. 1 使用ThreadStart委託
這裡先以一個例子體現一下多執行緒帶來的好處，首先在Message類中建立一個方法ShowMessage()，裡面顯示了當前執行執行緒的Id，並使用Thread.Sleep（int ) 方法模擬部分工作。在main()中通過ThreadStart委託繫結Message物件的ShowMessage（）方法，然後通過Thread.Start（）執行非同步方法。
public class Message
{
public void ShowMessage()
{
string message = string.Format("Async threadId is :{0}",
Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
Console.WriteLine(message);
for (int n = 0; n < 10; n++)
{
Thread.Sleep(300);
Console.WriteLine("The number is:" + n.ToString());
}
}
}
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("Main threadId is:"+
Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
Message message=new Message();
Thread thread = new Thread(new ThreadStart(message.ShowMessage));
thread.Start();
Console.WriteLine("Do something ..........!");
Console.WriteLine("Main thread working is complete!");
}
}
請注意執行結果，在呼叫Thread.Start()方法後，系統以非同步方式執行Message.ShowMessage()，而主執行緒的操作是繼續執行的，在Message.ShowMessage()完成前，主執行緒已完成所有的操作。
3. 2 使用ParameterizedThreadStart委託
ParameterizedThreadStart委託與ThreadStart委託非常相似，但ParameterizedThreadStart委託是面向帶引數方法的。注意ParameterizedThreadStart 對應方法的引數為object，此引數可以為一個值物件，也可以為一個自定義物件。
public class Person
{
public string Name
{
get;
set;
}
public int Age
{
get;
set;
}
}
public class Message
{
public void ShowMessage(object person)
{
if (person != null)
{
Person _person = (Person)person;
string message = string.Format("\n{0}'s age is {1}!\nAsync threadId is:{2}",
_person.Name,_person.Age,Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
Console.WriteLine(message);
}
for (int n = 0; n < 10; n++)
{
Thread.Sleep(300);
Console.WriteLine("The number is:" + n.ToString());
}
}
}
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("Main threadId is:"+Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
Message message=new Message();
//繫結帶引數的非同步方法
Thread thread = new Thread(new ParameterizedThreadStart(message.ShowMessage));
Person person = new Person();
person.Name = "Jack";
person.Age = 21;
thread.Start(person); //啟動非同步執行緒
Console.WriteLine("Do something ..........!");
Console.WriteLine("Main thread working is complete!");
}
}
執行結果：
3. 3 前臺執行緒與後臺執行緒
注意以上兩個例子都沒有使用Console.ReadKey（），但系統依然會等待非同步執行緒完成後才會結束。這是因為使用Thread.Start()啟動的執行緒預設為前臺執行緒，而系統必須等待所有前臺執行緒執行結束後，應用程式域才會自動解除安裝。
在第二節曾經介紹過執行緒Thread有一個屬性IsBackground，通過把此屬性設定為true，就可以把執行緒設定為後臺執行緒！這時應用程式域將在主執行緒完成時就被解除安裝，而不會等待非同步執行緒的執行。
3. 4 掛起執行緒
為了等待其他後臺執行緒完成後再結束主執行緒，就可以使用Thread.Sleep()方法。
public class Message
{
public void ShowMessage()
{
string message = string.Format("\nAsync threadId is:{0}",
Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
Console.WriteLine(message);
for (int n = 0; n < 10; n++)
{
Thread.Sleep(300);
Console.WriteLine("The number is:" + n.ToString());
}
}
}
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("Main threadId is:"+
Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
Message message=new Message();
Thread thread = new Thread(new ThreadStart(message.ShowMessage));
thread.IsBackground = true;
thread.Start();
Console.WriteLine("Do something ..........!");
Console.WriteLine("Main thread working is complete!");
Console.WriteLine("Main thread sleep!");
Thread.Sleep(5000);
}
}
執行結果如下，此時應用程式域將在主執行緒執行5秒後自動結束
但系統無法預知非同步執行緒需要執行的時間，所以用通過Thread.Sleep（int）阻塞主執行緒並不是一個好的解決方法。有見及此，.NET專門為等待非同步執行緒完成開發了另一個方法thread.Join()。把上面例子中的最後一行Thread.Sleep（5000）修改為 thread.Join() 就能保證主執行緒在非同步執行緒thread執行結束後才會終止。
3. 5 Suspend 與 Resume （慎用）
Thread.Suspend（）與 Thread.Resume（）是在Framework1.0 就已經存在的老方法了，它們分別可以掛起、恢復執行緒。但在Framework2.0中就已經明確排斥這兩個方法。這是因為一旦某個執行緒佔用了已有的資源，再使用Suspend（）使執行緒長期處於掛起狀態，當在其他執行緒呼叫這些資源的時候就會引起死鎖！所以在沒有必要的情況下應該避免使用這兩個方法。
3. 6 終止執行緒
若想終止正在執行的執行緒，可以使用Abort（）方法。在使用Abort（）的時候，將引發一個特殊異常 ThreadAbortException 。
若想線上程終止前恢復執行緒的執行，可以在捕獲異常後 ，在catch（ThreadAbortException ex）{...} 中呼叫Thread.ResetAbort（）取消終止。
而使用Thread.Join（）可以保證應用程式域等待非同步執行緒結束後才終止執行。
static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("Main threadId is:" +
Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
Thread thread = new Thread(new ThreadStart(AsyncThread));
thread.IsBackground = true;
thread.Start();
thread.Join();
}
//以非同步方式呼叫
static void AsyncThread()
{
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